Contribution à la caractérisation du comportement géomécanique des roches couverture des réservoirs pétroliers, Contribution to the characterization of geomechanical behavior of caprocks in petroleum industry

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Sous la direction de Françoise Homand
Thèse soutenue le 10 mars 2009: INPL
Une connaissance plus approfondie du comportement des roches argileuses, et plus particulièrement de leur tenue, s'avère aujourd'hui indispensable dans le cadre de plusieurs thèmes de recherche d'importance croissante : comme couverture des réservoirs pétroliers pour la production d’hydrocarbures et la séquestration de CO2, ou en tant que roche hôte pour le stockage des déchets nucléaires en couches géologiques profondes. Ces roches sont particulièrement difficiles à caractériser expérimentalement du fait de leur très faible perméabilité et de leur sensibilité à l'eau. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des couplages hydromécaniques intervenant dans ces matériaux. Tout d’abord, une contribution à la caractérisation de l’évolution de la structure des roches argileuses soumises à un chargement mécanique est apportée. A cet effet, un essai de compression uniaxiale sur l’argilite de Tournemire associant des observations au MEB et une méthode de corrélation d’images numériques est proposé. Par la suite, des simulations numériques des essais œdométriques ont été réalisées pour appréhender l'influence des propriétés poromécaniques, en particulier de la faible perméabilité sur le comportement de l'échantillon. L’étude des équations de diffusion et les simulations numériques effectuées nous permettent de proposer une méthode de détermination de la perméabilité intrinsèque de ces matériaux. Dans la dernière partie, une étude du comportement d’une roche couverture d’un réservoir pétrolier à grande échelle est réalisée sur un cas synthétique 3D. L’objectif de ce chapitre est d’étudier les variations du champ de contrainte au sein de la couverture au cours de la production du réservoir
-Essais œdométriques
-Argilites de Meuse/Haute-Marne.
-Argilites de Tournemire
-Poroélasticité
-Isotropie transverse
-Caractérisation expérimentale
Knowledge of shale poromechanical behavior is essential for various environmental issues such as CO2 deep geological storage, high level radioactive waste storage, oil field abandonment… Furthermore, due to their good confinement properties, there are considered as potential host rocks for high level radioactive waste storage. However, their experimental characterization is very complex because of their very low permeability and their saturating fluid sensitivity. The main objective of this study is to improve knowledge of hydromechanical coupling of such a material. To study the structure of argillites under stress, SEM in-situ uniaxial compression test is performed on parallelepiped sample; compression orientation is perpendicular to bedding planes direction. Correlation techniques are used to estimate strain distributions. Second part underlines the key points of shale experimental characterization using the framework of Biot’s mechanics of fluid saturated porous solids. Shales are well known as a more or less transverse isotropy material. The complete methodology to conduct œdometric tests on such sensitive and weakly permeable material is described. Measurements realized on Tournemire argillite are proposed and a comparison with the poroelastic parameters of Meuse / Haute-Marne is given. Furthermore, to investigate hydromechanical coupling, a transverse isotropic poroelastic model is used to estimate the influence of anisotropy on diffusion characteristic time. The experimental data are used in numerical simulations to estimate the intrinsic permeability of the samples. In the last part, the caprock behavior of a petroleum field is studied at large scale with a 3D synthetic model (finite element analysis). The purpose of this last chapter is to study changes in stress field during the oil production
-Œdometric test
-Expérimental characterization
-Tournemire argillite
-Transverse isotropy
-Poroelasticity
-Meuse/Haute-Marne argillite
Source: http://www.theses.fr/2009INPL014N/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy
Laboratoire Environnement, Géomécanique & Ouvrages
École Doctorale RP2E


THÈSE


Présentée en vue de l’obtention du grade de :
DOCTEUR DE L’I.N.P.L.
Spécialité :
Génie civil – Hydrosystèmes – Géotechnique


Par :
Aurélien NOIRET

Contribution à la caractérisation du comportement
géomécanique des roches couverture des réservoirs
pétroliers


Date de soutenance : le 10 mars 2009
devant la Commission d’Examen



Membres du jury :

Rapporteurs : HICHER Pierre-Yves
SHAO Jian-Fu
Examinateurs : ARMAND Gilles
BEMER Elisabeth
BEN SLIMANE Karim
GIRAUD Albert
Directeur de thèse : HOMAND Françoise


A. Noiret i



Remerciements

Au terme de ce travail de thèse, je suis particulièrement heureux de pouvoir écrire ces quelques lignes
qui me permettent de faire un petit signe aux personnes ayant participé et encouragé le long de ces
trois années et quelques mois…

Tout d’abord, ce travail de thèse est le fruit d’un partenariat entre le Laego et l’IFP. A ce titre, je
remercie Françoise Homand d’avoir accepté d’encadrer cette thèse. Un grand merci à Elisabeth Bemer
qui aura eu la lourde tâche de me côtoyer au jour le jour. Elisabeth, j’espère que ces 3 années m’auront
permis d’acquérir un peu de ta rigueur…

Mes remerciements s’adressent dans un deuxième temps aux membres du jury : Albert Giraud pour
m’avoir fait l’honneur de présider mon jury, également à Pierre-Yves Hicher et Jian-Fu Shao pour
avoir consacré une partie de leur temps précieux à l’examen de ce mémoire, mais aussi Gilles Armand
et Karim Ben Slimane pour avoir lu attentivement ces pages.

De plus, je souhaite exprimer ma reconnaissance envers l’IRSN et l’Andra pour m’avoir fourni les
échantillons sur lesquels s’appuient ces travaux, mais aussi à l’égard de Fredérique Fournier, Olga
Vizika et Jean-Marc Lombard pour m’avoir accueilli au sein de l’IFP.

Je tiens à souligner que la partie expérimentale présentée dans ce mémoire est avant tout le fruit d’une
collaboration avec de nombreuses personnes. Sur ce point, je tiens à remercier : Jacques, sans qui je
serais toujours en train de me battre avec la tuyauterie ; Jean-Luc, désolé pour tous les composants
électroniques que j’ai pu griller ; Valérie, grâce à qui je connais maintenant la différence entre
étalonnage et calibration ; Dominique, si mes échantillons sont cylindriques ce n’est pas grâce à moi ;
enfin, Jean-François et Bernard avec qui j’ai apprécié discuter, que le sujet se rapporte aux argilites ou
non…

Bien que mes séjours à Nancy fussent de courte durée, ils n’en restèrent pas moins enrichissants. A ce
titre je tiens à associer mes remerciements à Richard Giot pour m’avoir fait une place dans son bureau,
son aide et le temps consacré à la réalisation des simulations numériques.

Enfin, je tiens à remercier Michel Bornert et son équipe qui m’ont permis d’utiliser les infrastructures
du LMS, notamment le MEB, tout en me faisant partager leur grande expérience sur les techniques de
corrélation d’images numériques.

Je terminerai ces remerciements par une pensée pour mes proches et amis avec qui j’ai pu partager des
moments de joies, mais aussi de doutes durant ces quelques années. J’ai sûrement plus d’un défaut et
les argilites n’étaient généralement pas votre tasse de thé, mais merci d’avoir été présents. J’espère que
vous vous reconnaîtrez…
d^^b

A. Noiret ii





A. Noiret iii

Table des matières

1  Structure et sensibilité des matériaux argileux .............................................. 4 
1.1  Structure des argiles ......................................................................................................................4 
1.1.1  Les minéraux argileux ........... 4 
1.1.2  Notion d’échelle dans les matériaux argileux ................................................................................ 7 
1.1.3  Microstructure et porosité des roches argileuses .......................................................................... 10 
1.1.4  Observations sur l’argilite de Tournemire ................................................................................... 11 
1.2  Sensibilité des roches argileuses.................................................................................................. 14 
1.2.1  Cas d’une roche argileuse saturée ................................................................................................ 14 
1.2.2 roche argileuse non saturée ......................................................................................... 17 
1.2.3  Caractérisation du gonflement ..................................................................................................... 19 
1.2.4  Influence de la minéralogie et de l’organisation structurale ........................................................ 20 
2  Propriétés et comportement mécanique des roches argileuses ................... 22 
2.1  Minéralogie et propriétés physiques ............................................................................................ 22 
2.1.1  Définition des propriétés physiques ............................................................................................. 22 
2.1.2  Argilite de Meuse / Haute Marne (Bure) ..................................................................................... 23 
2.1.3  Argilite de Tournemire ................................................................................................................ 25 
2.1.4  Argile à Opalinus (Mont Terri) .................................................................................................... 27 
2.1.5  Argile de Boom ............................................................................................................................ 28 
2.1.6  Synthèses des données minéralogiques et pétrophysiques ........................................................... 28 
2.2  Propriétés mécaniques des roches argileuses .............................................................................. 33 
2.2.1  Présentations des paramètres mécaniques .................................................................................... 33 
2.2.2  Protocole de mesures des caractéristiques mécaniques ................................................................ 34 
2.2.3  Synthèses des paramètres mécaniques ......................................................................................... 37 
2.3  Evolution de la structure d’une argile raide soumise à un chargement ....................................... 42 
2.3.1  Comportement d’une argile raide à l’échelle macroscopique ...................................................... 42 
2.3.2  Evolution de la microstructure des roches argileuses en cours de chargement ............................ 43 
2.4  Essai de compression uniaxiale d’un échantillon d’argilite de Tournemire ................................ 44 
2.4.1  Principe de la méthode de corrélation d’images numériques ....................................................... 44 
2.4.2  Incertitudes de mesure ................................................................................................................. 47 
2.4.3  Préparation des échantillons ........................................................................................................ 48 
2.4.4  Essai mécanique ........................................................................................................................... 49 
2.4.5  Observation de la microstructure en cours de chargement ........................................................... 53 
3  Couplage hydromécanique ............................................................................. 59 
3.1  Formulation générale de la loi de comportement poroélastique .................................................. 59 
3.1.1  Hypothèse de petites perturbations .............................................................................................. 59 
3.1.2  Equations d’équilibre ................................................................................................................... 60 
3.1.3  d’état du fluide ............................................................................................................ 61 
3.1.4  Approche thermodynamique des milieux poreux ........................................................................ 62 

A. Noiret iv

3.1.5  Lois de Conduction ...................................................................................................................... 63 
3.1.6  Equations d’état du squelette solide et du milieu poreux ............................................................. 64 
3.1.7  Loi de comportement poroélastique ............................................................................................. 65 
3.2  Symétries particulières ................................................................................................................ 67 
3.2.1  Poroélasticité linéaire orthotrope ................................................................................................. 67 
3.2.2  Poroélasticité linéaire isotrope transverse (ou orthotrope de révolution) ..................................... 68 
3.2.3  Poroélasticité linéaire isotrope ..................................................................................................... 71 
3.3  Problème de diffusion ......................................................................................................... ......... 72 
3.3.1  Equation de diffusion couplée...................................................................................................... 73 
3.3.2  diffusion non couplée ............................................................................................... 74 
3.3.3  Equation de consolidation ............................................................................................................ 76 
4  Détermination des paramètres poroélastiques à partir d’essais
œdométriques ................................................................................................... 80 
4.1  Description du dispositif expérimental ........................................................................................ 80 
4.2  Détermination théorique des paramètres poroélastiques ............................................................. 82 
4.2.1  Plan de stratification perpendiculaire à l’axe de l’éprouvette ...................................................... 83 
4.2.2 stratification parallèle à l’axe de l’éprouvette ................................................................. 85 
4.2.3  Identification des paramètres poroélastiques dans le cas isotrope ............................................... 88 
4.2.4  Détermination des propriétés poroélastiques sous chargement triaxial ....................................... 89 
4.3  Données poroélastiques disponibles sur l’argilite de Meuse / Haute –Marne ............................. 93 
4.3.1  Problématique de la resaturation .................................................................................................. 94 
4.3.2  Protocoles expérimentaux mis en oeuvre ..................................................................................... 95 
4.3.3  Données disponibles .................................................................................................................... 97 
4.4  Présentation des échantillons étudiés dans cette thèse .............................................................. 101 
4.4.1  Provenance des échantillons ...................................................................................................... 101 
4.4.2  Usinage et stockage des échantillons ......................................................................................... 102 
4.5  Saturation des échantillons ..... 103 
4.5.1  Resaturation sous cloche à vide ................................................................................................. 103 
4.5.2  Resaturation par balayage .......................................................................................................... 105 
4.6  Données poroélastiques obtenues sur l’argilite de Tournemire ................................................. 107 
4.6.1  Courbes œdométriques et chemin de chargement ...................................................................... 107 
4.6.2  Paramètres poroélastiques de l’argilite de Tournemire .............................................................. 109 
5  Estimation de la perméabilité intrinsèque .................................................. 119 
5.1  Méthodes tran sitoires ................................................................................................................. 119 
5.1.1  Spécificité des matériaux argileux ............................................................................................. 119 
5.1.2  Méthodologies et données disponibles ...................................................................................... 120 
5.1.3  Principes et hypothèses .............................................................................................................. 122 
5.2  Modélisation numérique des essais œdométriques .................................................................... 124 
5.2.1  Influence de l’anisotropie transverse ......................................................................................... 124 
5.2.2  Interprétation isotrope ................................................................................................................ 130 

A. Noiret v

5.2.3  Etude a posteriori des essais sur l’argilite de Meuse / Haute-Marne ......................................... 131 
5.2.4  Etude a posteriori des essais sur l’argilite de Tournemire.......................................................... 136 
5.3  Conclusion ................................................................................................................................. 139 
6  Comportement des couvertures à l’échelle du réservoir ........................... 141 
6.1  Lien entre la simulation réservoir et la modélisation géomécanique ......................................... 142 
6.1.1  La simulation réservoir .............................................................................................................. 142 
6.1.2  Méthodes de couplage et modélisation géomécanique .............................................................. 144 
6.2  Descriptif du modèle ................................................................................................................. 145 
6.2.1  Géométrie, maillage et conditions aux limites du modèle ......................................................... 145 
6.2.2  Données de production .............................................................................................................. 147 
6.3  Comportement des couches couvertures durant la période de production ................................ 149 
6.3.1  Paramètres du modèle ...... 149 
6.3.2  Etape initiale et équilibre géostatique ........................................................................................ 152 
6.3.3  Résultats et discussions .............................................................................................................. 152 

A Annexes
A.1 Annexe du chapitre 2
A.2 Annexe du chapitre 4
A.2 Annexe du chapitre 6


A. Noiret vi

Liste des figures

Figure 1.1 : Eléments structuraux : tétraèdres (T) et octaèdres (O) [Eslinger et Pevear, 1988] .............................. 5 
Figure 1.2 : Représentation schématique de quelques groupes de minéraux argileux [Grim, 1968] ...................... 6 
Figure 1.3 : Différents assemblages [Griffith et Jos, 1991] .................................................................................... 7 
Figure 1.4 : Structure des argiles [Yven B. et al., 2007] ......................................................................................... 9 
Figure 1.5 : Cristal de calcite (Cal.) et Cristal de quartz (Q) dans la matrice argileuse, Observations au MEB
[Sammartino et al., 2001] ............................................................................................................................. 10 
Figure 1.6 : Observations au MEB de l’argilite de Tournemire (IRSN PH4 8660) ............................................. 13 
Figure 1.7 : Distribution des ions près des feuillets selon la théorie de la double couche [Mitchell, 1991] cité par
[Gaombalet, 2004] ........................................................................................................................................ 15 
Figure 1.8 : Angle de contact à la jonction de 3 phases : solide, liquide et gazeuse (cas d’un liquide mouillant
pour le solide considéré)............................................................................................................................... 18 
Figure 1.9 : Remontée capillaire ........................................................................................................................... 19 
Figure 2.1 : Coupe géologique du site de Bure [ANDRA, 2005] ......................................................................... 24 
Figure 2.2 : Coupe géologique du site de Tournemire [Boisson et al., 1998] ....................................................... 25 
Figure 2.3 : Propriétés physiques et minéralogiques de l’argilite de Tournemire [Cabrera et al., 2001] .............. 26 
Figure 2.4 : Coupe géologique du site de Mont Terri ........................................................................................... 27 
Figure 2.5 : Détermination des modules élastiques de déformation sur une courbe contrainte / déformation ...... 34 
Figure 2.6 : Corrélation entre le module de Young et la teneur en eau pour quelques roches argileuses [Coll,
2005, d’après Bérest et al., 2000] ................................................................................................................. 38 
Figure 2.7 : Exemple de courbes contrainte / déformation avec cycles de décharge / recharge : (a) compression
uniaxiale, (b) compression triaxiale sous 10 MPa de confinement [Chiarelli et al., 2003] .......................... 42 
Figure 2.8 : Schéma d’intégration [Bornert, 1996] ............................................................................................... 47 
Figure 2.9 : Dispositif de compression uniaxiale au sein du MEB (LMS) ............................................................ 50 
Figure 2.10 : Dimensions de l’échantillon et positions des zones d’étude50 
Figure 2.11 : Essai de compression simple in situ, courbe contrainte / déformation (IRSN PH4 8660) ............... 52 
Figure 2.12 : Microfissure à la base de l’échantillon soumis à un chargement mécanique (IRSN PH4 8660) .... 53 
Figure 2.13 : Champs des déformations équivalentes (légende : entre les étapes n et n / grossissement utilisé / 1 2
bornes de la légende (%) ; IRSN PH4 8660) ................................................................................................ 54 
Figure 2.14 : Décomposition du champ des déformations équivalentes pour la zone d’étude n°2 (IRSN PH4
8660) ............................................................................................................................................................ 55 
Figure 2.15 : courbes contrainte axiale / déformation moyenne équivalente des 2 zones étudiées à différentes
échelles d’observation (IRSN PH4 8660) .................................................................................................... 56 
Figure 3.1: Le milieu poreux vu comme la superposition de deux milieux continus [Coussy, 1991] ................... 59 
Figure 4.1 : Descriptif d’un œdomètre .................................................................................................................. 81 
Figure 4.2 : PID d’un œdomètre ........................................................................................................................... 81 
Figure 4.3 : Orientation des échantillons .............................................................................................................. 82 
Figure 4.4 : Schéma de l'essai triaxial ................................................................................................................... 90 
Figure 4.5 : Evolution du module œdométrique drainé en fonction de la contrainte axiale effective ................... 98 
Figure 4.6 : Evolution du coefficient de Biot en fonction de la contrainte axiale effective .................................. 98 
Figure 4.7 : Evolution du module d’incompressibilité drainé en fonction de la contrainte axiale effective ....... 100 

A. Noiret vii

Figure 4.8 : Evolution du module d’incompressibilité la matrice solide en fonction de la contrainte axiale
effective ...................................................................................................................................................... 100 
Figure 4.9 : Evolution du module d’incompressiblide pour les valeurs de K < 10000 MPa s
(détail de la figure 4.8). 101 
Figure 4.10 : Images scanner d’échantillons d’argilites de Tournemire (a) et de Meuse / Haute-Marne (b) ...... 103 
Figure 4.11 : Fracturation superficielle de l’échantillon ANDRA EST 26485 ................................................... 104 
Figure 4.12 : Phénomène de gonflement en condition œdométrique .................................................................. 104 
Figure 4.13 : Resaturation par balayage de l’échantillon IRSN PH4 5760-2 ...................................................... 106 
Figure 4.14 : Resaturation par balayage de l’échantillon IRSN PH4 950-3 ........................................................ 107 
Figure 4.15 : Courbes œdométriques .................................................................................................................. 108 
Figure 4.16 : Evolution de la contrainte radiale et du déplacement en fonction du temps (IRSN PH4 5760-2) . 109 
Figure 4.17 : Modules œdométriques des argilites de Tournemire et de Meuse / Haute-Marne (Bemer et al.,
2004 ; Escoffier, 2002 ; Vincké et al., 1998) .............................................................................................. 112 
Figure 4.18 : Coefficients de Biot isotropes transverses de l’argilite de Tournemire ......................................... 112 
Figure 4.19 : Coefficients de Biot des argilites de Tournemire et de Meuse / Haute-Marne (Bemer et al., 2004 ;
Escoffier, 2002 ; Vincké et al., 1998) ......................................................................................................... 113 
Figure 4.20 : Module d’incompressibilité de la matrice solide des argilites de Tournemire et de Meuse / Haute-
Marne (Bemer et al., 2004 ; Escoffier, 2002 ; Vincké et al., 1998) ............................................................ 114 
Figure 4.21 : Cohérence des modules de cisaillement obtenus à partir des cycles drainés et non drainés .......... 115 
Figure 4.22 : Comparaison des modules œdométriques non drainés .................................................................. 116 
Figure 4.23 : Evolution du module d’incompressibilité apparent du fluide en fonction de l’état de saturation .. 116 
Figure 5.1 : Principe du pulse test [Homand et al., 2004] ................................................................................... 120 
Figure 5.2 : Principe des cycles hydromécanique ............................................................................................... 124 
Figure 5.3 : Conditions aux limites ..................................................................................................................... 125 
Figure 5.4 : Maillage 3D d’un œdomètre ............................................................................................................ 125 
Figure 5.5 : Angles d’Euler ................................................................................................................................. 126 
Figure 5.6 : Anisotropie du tenseur de perméabilité ........................................................................................... 128 
Figure 5.7 : Influence de l’anisotropie du tenseur de Biot .................................................................................. 129 
Figure 5.8 : Maillage axisymétrique ................................................................................................................... 131 
Figure 5.9 : Incrément de charge hydromécanique de 2,8 à 4,1 MPa de pression de pore sous différents
chargements axiaux...... 133 
Figure 5.10 : Incrément de charge de 4,0 à 5,5 MPa de pression de pore sous différents
chargements axiaux .................................................................................................................................... 134 
Figure 5.11 : Temps d’équilibre pour un chargement hydromécanique .............................................................. 135 
Figure 5.12 : Temps d’équilibre hargement mécanique ....................................................................... 135 
Figure 5.13 : Phases de charge hydromécanique pour différents niveaux de chargement (IRSN 5760-1) ......... 137 
Figure 5.14 : Phase de charge hydromécanique pour différents niveaux de chargement (IRSN 5760-2) ........... 138 
Figure 6.1 : Couplage partiel : échanges de données entre les simulations réservoirs et géomécaniques durant une
itération d’après [Longuemare et al., 2002] ............................................................................................... 144 
Figure 6.2 : Modèle géomécanique : description des dimensions et du nombre de mailles de chacune des quatre
parties du modèle......... 146 
Figure 6.3 : Réservoir (exagération verticale (Z*2): représentation de la profondeur des éléments du réservoir et
localisation des puits producteurs (Pi) et des puits injecteurs (Ii) dans le plan du réservoir ...................... 147 

A. Noiret viii

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